ACI变频器在锅炉控制系统中的应用
本文介绍了变频器在工业锅炉控制系统应用中的节能原理、应用方法及变频器选型与变频器相关的保护装置及接至电机导线的选择。
一、引言
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它的主电路都采用交-直-交电路。
从理论上我们可知，电机的转速 N 与供电频率 f 有以下关系：
n = 60f（1 - s）/p （1）
其中： p－－电机极对数 S－－转差率
由式(1)可知，转速n与频率f成正比，如果不改变电机的极对数，只要改变频率f即可改变电机的转速，当频率f在0～50Hz范围内变化时，电机转速调节范围非常宽。 变频器就是通过改变电机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。在工业领域里的应用日益广泛。随着变频器的造价日趋降低，利用变频器驱动异步电机所构成的调速控制系统，越来越发挥出巨大的作用。
二、变频器在锅炉控制系统中的主要目的
变频器在工业锅炉自动控制系统中，主要用于鼓风机、引风机、给水系统及除渣系统。其主要目的是在工业锅炉满足生产要求的前提下节约能源。而鼓、引风机、给水泵都是平方转矩负载，根据流体力学原理，平方转矩负载的流量、压力、功率与转速的关系如下：
流量∝转速，压力∝转矩∝转速的平方，功率∝流量*转矩∝转速的立方。即：风机或水泵流量与转速的一次方成正比，压力与转速的二次方成正比，而轴功率与转速的三次方成正比。因而，理想情况下有如下关系：
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流量（%）
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转速（%）
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压力（扬程）（%）
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功率（%）
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100
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100
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100
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100
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90
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90
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81
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72.9
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80
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80
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64
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51.2
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70
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70
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49
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34.3
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60
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60
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36
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21.6
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50
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50
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25
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12.5
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由上述关系可见，当需求流量下降时，通过调节转速可以节约大量能源。例如：当流量需求减半时，如通过变频调速，则理论上讲，仅需额度功率的12.5%，即可节约87.5%的能源。如采用转统的挡板方式调节风量，虽然也可相应降低能源消耗，但节约效果与变频相比，则是天壤之别。
三、变频器在锅炉调速控制系统各个环节上的应用
1、炉排电机选用的变频器与鼓、引风机选用的变频器型号不同。
炉排变频选用通用型即选用ACI G11系列变频器；鼓、引风机变频选用节能型即ACI P11系列变频器。
2、鼓、引风机控制
鼓、引风机采用变频控制，这是锅炉系统中变频应用的主要部分，既是节电最显著的部分，也是变频投资最大的部分。控制过程：
①.引风控制：通过炉膛上的负压变送器将炉膛压力标准电信号送入引风变频器PID控制器的反馈通道，经处理后与设定炉膛负压比较，经过PID控制器控制引风变频器调节电机转速，使炉内负压稳定在设定值，从而达到自动跟踪鼓风保持炉膛负压恒定目的。引风电机速度随着炉膛负压值的变化而变化，即保证锅炉燃烧部分的自动运行。
②.鼓风控制：通过蒸汽管道上的压力变送器将所需蒸汽压力信号送入鼓风变频器PID控制器的反馈通道，经处理后与设定蒸汽压力值比较，经过PID控制器控制鼓风变频器调节电机转速，使蒸汽管道上压力基本稳定在设定值，使官网蒸汽压力稳定在设定值。
③.在变频器改造之前，锅炉控制鼓、引风机风量是靠人工根据蒸汽压力的大小来操作风道挡板的开度控制风机风量，蒸汽压力低于需要的压力时，开大挡风板，蒸汽压力高于需要的压力时，关小挡风板。因此电机全速运转产生的风量不能全部使用，采用挡板控制风量会造成约30%的截流损耗。使用变频器可根据生产需求任意调整电机速度，使输出风量可以调节，提高生产工效并且节能降耗。
变频器采用ACI DLT-P11系列。控制系统的起动方式为外部远程人工控制。
(1)调速方式：
A.根据生产需要的压力，设定鼓风机变频器PID的给定压力，鼓风机的速度由PID根据压力的变化自动调节；引风机速度根据炉膛负压设定值与实际值比较由变频器内置PID控制，确保炉膛负压为设定值；
B.变频器通过端子切换为自动PID运行方式。
C.系统还可实现全开环运行，通过控制柜或现场操作箱上的启停按钮和电位器实现人工控制和调速。
(2)系统的主要联锁：
A.鼓风机运行条件：只有当引风机投入运行后，鼓风机才允许启动运行。
B.变频和工频连锁。变频运行与工频运行联锁。
C.当变频系统在运行过程中出现故障时发出声、光报警信号，提醒值班人员适时处理。
(3)系统构成： 控制原理图如下图所示
这主要是由于鼓、引风机调节的幅度相对也较大，电机容量也较大。变频器在锅炉调速控制系统中，主要应用于鼓风机、引风机、给水系统及除渣系统。其最主要的目的在于节约能源。采用变频调速方法节能的原理，是基于流量、压力、转速、转矩之间的关系。这些关系如公式：P2（n2/n1)3*P1。在选择鼓、引风机变频器时，要考虑在安装变频器后可以适当提高频率（大于50Hz）即提高运行转速，以保证锅炉系统有足够的风量，否则可能造成原系统大负荷时风量够用而变频改造后大负荷时风量不够的尴尬局面。3.3 炉排变频控制
3、炉排电机很小，因而采用变频器控制的主要目的是稳定运行，解决原控制系统控制炉排速度不稳造成的原煤燃烧不充分、炉渣中还有相当多的“红碳”，原煤没有得到充分利用。当然相对节电率也很高只是绝对数值很小。炉排变频控制的特殊性在于：
A.炉排由于经常处于低速运行，所以电机散热会出现问题，解决的方法是选用变频专用电机。
B.由于低速运行时变频器输出电压低，输出电流大，因此变频器必须选大一档，否则，无法保证炉排电机在低速时稳定运行。
4、给水系统恒压给水
在锅炉给水系统中，采用变频控制，既能节约大量能源，又能稳定给水系统的压力，保障锅炉系统的安全运行，具有非常大的实际意义，并且给水系统的电机相对鼓、引风机而言容量较小，投资不大。因此，非常值得推广采用。
给水系统变频应用的特殊性：锅炉给水系统一般采用多台电机，并联母管式给水，没有必要每台电机都采用变频。既经济又可靠的方法是：只有两台电机由变频自动控制且这两台电机为一用一备方式工作。主要是利于电机检修。其他给水电机仍采用常规控制方法，其原因有两点：
5、在并联母管式给水方案下，全自动控制给水方案不实用，无实际意义。主要原因是每台水泵的单向止回阀泄露问题和更换问题。全自动控制给水时，单向止回阀前后的截止阀必须始终保持打开状态，才能保证自动控制电机启动后，水能够自动流出。但随着锅炉负荷的增减，水泵电机不会全部运行。这样，不运行的水泵电机，由于单向止回阀在水压的作用下，极易发生泄露，造成水的回流及电机的反转。而当需要停止的水泵运行时，电机由反转变为正转的过程中，由于电机的超负荷大电流，必然造成控制电路超负荷跳闸。解决的方法是：采用半自动控制，设定给水压力上、下限报警。上限报警时，通知操作人员关掉一台水泵。下线报警时，通知操作人员启动一台水泵。而变频控制的水泵则保证在可调范围内的恒压给水。每台水泵电机均采用变频控制，投资太大，且由于上述原因，也没有必要，并且不实用。
6、 冲渣泵变频控制
冲渣泵采用变频控制，其目的有两点：节能，节水。
方法是采用高、低速分时控制。高速运行一段时间，然后，低速运行一段时间，自动交替运行。高速运行时把炉渣冲走，低速运行时保证炉渣灭火。
四、变频器在工业锅炉应用中的优点:
1、实现了自动控制，揭开了锅炉运行自动化的新篇章。使难以控制的燃烧过程实现了自动化，减少劳动强度。在网络化日益普及的今天，与普通的点对点硬线连接方式而言，通过高速通讯连接的变频器系统可以最大程度上降低系统维护时间、提高生产效率、减少运行成本。
2、控制电机的启动电流。当电机通过工频直接启动时，它将会产生7到9倍的电机额定电流。这个电流值将大大增加电机绕组的内部应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而变频调速可以实现软启动。一旦频率和电压的关系建立， 变频器就可以按照V/F或矢量控制方式带动负载进行工作。使用变频调速能充分降低启动电流，提高绕组承受力，用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低、电机的寿命则相应延长。
3、降低电力线路电压波动。在电机工频启动时，电流剧增的同时供电电网的电压也会大幅度波动，电压下降的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量。电压下降将会导致同一供电网中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常，如传感器、接近开关和接触器等均会动作出错。而采用变频调速后，由于实现了软启动，能最大程度上消除电压下降。
4、可对风机的风量作平滑的无级调速，使风机工作在最佳工况点，工况曲线更符合实际要求，既提高了风机效率，又避免了“喘振”现象。稳定了炉膛负压，满足工作环境的要求。
5、低速运行可以减少磨损，降低噪音，有利于延长电机和风机的使用寿命。
6、节能效果显著。由于最终的能耗是与电机的转速成立方比，所以采用变频后，大大节约了电能，投资回报更快，用户也愿意接受。
五、变频器实际应用中存在的问题
1、变频器功率的选择
选择变频器时，要充分考虑原系统电机裕量问题，否则原系统电机运行正常，使用变频控制后，发现变频电机容量不够，再更换大一档变频，必然造成不必要的损失与麻烦。
2、远距离变频控制的可靠性问题
变频器的控制端子，均为弱电直流信号或接点信号，当采用远距离控制时，应充分考虑线路的抗干扰问题和损耗问题。尤其是当采用开关量进行加、减速控制时，要使节点输出尽可能与变频安置在一起，以防无源节点的线路阻抗和干扰造成控制不灵敏或失效。
3、设计选型中的其它问题
（1）空气断路器的选择
由于变频器具有软启动、无冲击的特性，所以空气开关可以按变频器容量选择，不必考虑电机启动时的电流冲击。
（2）电机热保护的选择
由于变频器控制单台电机，不需要选择热保护继电器，直接采用变频器的电子热保护即可。但若同时控制多台电机，则每台电机的热保护要单独计算及选择。选择时，要根据电机低速运行时的电流情况选择，而不是根据电机额定电流选择。此电流比电机额定电流大得多。
（3）电流、电压的检测问题
由于变频器输出端的电流、电压随频率发生变化，所以、对变频设备的电流、电压检测均应在变频器的进线端进行。即电流互感器、电压表均应设计在进线端。即空气断路器后，变频器前。
（4）导线问题
变频器进线可以适当减少裕量。因为变频器节电的特征，即为减少进线电流。但变频器的出线要适当加大裕量，尤其是长期低速运行的变频器设备，其输出电流是相当大的。
六、ACI变频器发电厂风机中的应用：
广东广惠能源有限公司（生活垃圾发电厂）是利用生活垃圾、工业垃圾发电的节能环保企业，设计规模为日处理垃圾600吨，发电机装机容量为2X6WM。垃圾焚烧发电工程于2007年12月正式与电网并网发电。焚烧炉风机、电控系统全部采用西门子电机、变频器、接触器（工变频切换），使用几年后，西门子变频器先后有多台损坏，因修复周期长、修理费用高，广东广惠能源有限公司领导决定采用国产变频器代替西门子变频器，经过比较分析，先后选用了几款国产变频器，在使用几个月后变频器都有过炸机现象存在，严重影响安全生产。
经过考察，广东广惠能源有限公司决定使用ACI G11通用变频器。在安装现场，我公司技术人员经过跟班后仔细分析，认为主要原因是该发电厂在深夜用电负荷很低时电网电压非常高，有时高达450V以上，加上深夜垃圾焚烧量少，所需的风量减少，风机需要从高速降成低速，由于风机是大惯性负载，在减速过程中会将机械能转化为电能回馈给变频器，使得变频器母线电压升高达到过压保护值附近；如果变频器内部积有导电粉尘或者湿度过大而使变频器绝缘等级降低，变频器就可能由于内部绝缘击穿而损坏。
在分析变频器损坏原因后，我们采用了如下措施：
①加强电气绝缘，从硬件上提高耐压等级；
②调整直流母线电压显示值，使变频器显示值大于母线电压值约5%（如实际值为540V，显示值约为567V），目的是降低失速过压点（软件限制最小为120%使失速过压点在115%时起作用）；
③调整相关参数，降低过压失速点从默认值140%（即失速电压值为750V，接近过压保护值780V，如果母线电压长期在750V附近若此时变频器绝缘降低则可能绝缘击穿而使变频器损坏）降为120%（645V），使变频器在母线电压显示值达到645V时风机就不能减速，防止风机电机工作在发电状态而使变频器母线电压进一步升高；
④设定变频器停机方式为自由停车，防止停机时变频器过压损坏。经过采用上述措施后，我公司生产的1台P11-220KW的鼓风机、1台P11-315KW的引风机从2010年3月使用到现在一直正常运行，没有出现故障停机现象，稳定了生产，同时节约了大量电能。
7. 结束语
工业锅炉控制系统采用变频器调速实现锅炉的控制，稳定性和可靠性高，调节特性好。由于变频器可以非常平滑稳定地调节，运行人员可灵活地调控燃烧系统、给水系统，提高了锅炉效率，减少工作强度。变频调速使电机运行明显改善，维护量明显减少，同时大大减少了机械系统变速机构和控制机构。使系统更加方便操作，设备工作效率明显提高，系统采用过流、过压、瞬时断电、短路、欠压、缺相等多种保护，避免了因此造成电机烧损而影响生产所带来的直接和间接经济损失，更为重要是它的节能效果非常明显，经济效益非常可观。
